廚余垃圾污水處理系統(tǒng)電氣設計與應用*

封光磊，劉志一，袁 杰，宋明新，李 啟

（昆明克林輕工機械有限責任公司，昆明 650106）

0 引言

隨著我國城市化的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國廚余垃圾產量逐年增加，對城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生造成很大的危害。通過廚余垃圾微生物分解處理后實現(xiàn)了絕大部分垃圾的減量化、無害化和資源再利用，使得廚余垃圾變廢為寶，不僅減輕了廚余垃圾帶來的環(huán)境污染，還緩解了我國資源短缺日益緊張的局面。但廚余垃圾微生物分解后不可避免的會產生廚余垃圾污水，傳統(tǒng)的污水處理方案為將污水直接排入城市污水管網(wǎng)，由污水處理工廠統(tǒng)一處理。廚余垃圾微生物分解處理后再配置廚余垃圾污水處理系統(tǒng)可將前序處理產生的污水進行進提前凈化，對環(huán)境做進一步保護[1-3]。并且小型廢水處理設備與廚余垃圾微生物處理設備共同布置使用，將凈化水投入二次生產使用，在廢水循環(huán)利用中發(fā)揮重要作用，也逐漸被企業(yè)所認可[4-7]。

傳統(tǒng)廚余垃圾污水處理自動化程度低，需要大量的人工參與，難以達到對污水充分處理的目的[8-10]。并且傳統(tǒng)設備控制中難以解決波動水位監(jiān)測難題及污水泵送管路堵塞監(jiān)控及凈化抽取量化控制的難題，所以難以實現(xiàn)設備的系統(tǒng)集成控制。本文旨在設計一種廚余垃圾污水處理設備及其集成控制系統(tǒng)，使用數(shù)字量信號遲滯濾波技術和后工序連鎖控制方式使得對設備各功能模塊液位控制穩(wěn)定可靠性大幅提升，并創(chuàng)新使用以流量及電機電流為依據(jù)的雙回路污水濁度間接檢測方式使得在機污水濁度檢測的工程實施成為可能，從而減少人員對設備的干預，簡化污水處理工藝，最終大幅提高了設備的穩(wěn)定可靠性及自動化智能化程度。

1 設備結構及工藝控制原理

依據(jù)最終用戶使用方式及環(huán)境的不同，集成式廚余垃圾污水處理系統(tǒng)可獨立使用也可以配合廚余垃圾微生物處理機使用，這樣就使得設備總體控制在設計時就具有功能及控制的獨立性，必須配置獨立的控制系統(tǒng)對各檢測原件及動作部件進行控制。同時設備還需具有初步的智能化功能，對處理前后水質數(shù)據(jù)進行分析比較，進一步自動調整處理工藝配方，以達到處理水質最優(yōu)化和提高設備使用的穩(wěn)定可靠性的目的。

1.1 設備總體結構

污水處理設備總體上可分為兩個部分，一部分為處理機本體，其中本體內部又分割為調節(jié)池、厭氧池、膜池、清水池、污泥池5個獨立的容器池。用于存儲依據(jù)處理工藝生成的過程產品；另一部分為外置污水貯存箱，用于緩沖存儲需要處理的污水，此部分依據(jù)實際設備土建安裝位置選擇配置，若實際污水源與污水處理設備間落差高度達到500 mm及以上，則可省略此配置。具體設備結構如圖1所示。

圖1 廚余垃圾污水處理系統(tǒng)結構

1.2 設備總體電氣控制原理

設備由SIEMENSS7-200 SMART PLC作為主控制器進行系統(tǒng)集成[11]。并配置使用SIEMENSSMART 1000IE觸摸屏定制化開發(fā)HMI交互式控制界面作為人機對話接口[12]。針對不同存儲池控制工藝配置數(shù)字量液位檢測裝置及模擬量液位變送器，用以檢測存儲箱內部液位；配置流量檢測裝置對設備管路內流量進行檢測；對自吸泵、調節(jié)池泵采用變頻器進行調節(jié)驅動。作為設備控制的核心部分，PLC通過MOUDBUS總線分別與各變頻器進行連接，并通過特定交互地址進行控制指令的下達及監(jiān)控數(shù)據(jù)的收集，使得PLC可監(jiān)控到主要功能部件的實時運行狀態(tài)，并使用專家經驗控制法對各泵閥進行有效調節(jié)控制，最終保證污水處理質量達到要求，具體廚余垃圾污水處理系統(tǒng)電氣控制結構如圖2所示。

圖2 廚余垃圾污水處理系統(tǒng)電氣控制結構

2 設備系統(tǒng)集成控制設計

廚余垃圾污水處理設備的控制分為手動及自動兩種模式，均是由PLC程序進行實現(xiàn)，其控制原理類似。PLC程序分別定義不同的功能模塊，對各功能部件進行獨立協(xié)調管控，最終由主程序進行系統(tǒng)集成，以做到控制的標準化、模塊化。使用HMI取代傳統(tǒng)按鈕指示燈實現(xiàn)控制的全局化直觀化，具體HMI控制界面如圖3所示。

圖3 HMI控制界面

2.1 貯存箱控制設計

貯存箱為獨立配置功能部件，位于廚余垃圾污水處理設備本體外部，用于暫時存放外部進入設備待處理的污水，同時具有污水一次沉降過濾的作用。在控制設計時仍按照傳統(tǒng)控制工藝配置浮球數(shù)字量檢測元件監(jiān)控液位，使用普通電機驅動抽水泵工作。

但區(qū)別于傳統(tǒng)控制工藝，使用數(shù)字量信號遲滯濾波技術和后工序連鎖控制方式，將貯存箱液位及后續(xù)調節(jié)池液位組合用于對污水提升泵進行控制。由于貯存箱隨時可能有污水進入，而調節(jié)池因污水提升泵打入污水擾動或其他外部因素造成箱內液位晃動，使得數(shù)字量檢測元件無法準確檢測實際液位，若不進行信號遲滯濾波直接使用PLC輸入信號作為啟動條件則控制狀態(tài)將會頻繁變化，在PLC程序中使用延時導通繼電器對輸入的液位信號進行濾波，當信號狀態(tài)保持接通3s則視為液位檢測準確到位，解決液位檢測面不穩(wěn)定造成的誤觸發(fā)問題。具體PLC遲滯濾波程序如圖4所示。

圖4 PLC濾波程序

當且僅當貯存箱液位不低且調節(jié)池液位不高時啟動并保持提升泵工作，至貯存箱液位低或調節(jié)池液位高時停止提升泵工作。當液位滿足程序條件提升泵停止工作后，觸發(fā)定時器在后續(xù)5 min內禁止提升泵再次啟動，以實現(xiàn)防止電機頻繁啟動保護電機的目的。在HMI界面中設計污水提升泵工作限定時間接口，可以對觸發(fā)啟動后污水提升泵持續(xù)工作時間進行設定，當計時到位后同樣停止電機工作，以防止外部檢測元件因污損導致的檢測失誤，大幅提高了設備的魯棒性，同時防止液位過低后繼續(xù)泵送將一次沉淀物送入后續(xù)的調節(jié)池，為后續(xù)設備的無人值守化運行提供技術保障。具體控制原理流程如圖5所示。

圖5 貯存池污水提升泵控制流程

2.2 調節(jié)池控制設計

調節(jié)池作為廚余垃圾污水處理系統(tǒng)本體的第一個儲存池起到了二次沉降過濾作用。污水在調節(jié)池內停留時間設定為6 h，當調節(jié)池液位滿足條件時PLC程序進行倒計時操作，計時完成污水進行充分二次沉降后開啟調節(jié)池泵將污水注入缺氧池。同樣在HMI界面中設計了調節(jié)池泵工作限定時間接口，當計時結束或檢測到調節(jié)池液位低信號后停止調節(jié)池泵動作。

廚余垃圾污水泵送流量監(jiān)控是整個污水處理控制污水中的重點和難點，廚余污水中不可避免地會存在固體雜質和油脂類物質，在輸送中若使用流量傳感器進行直接檢測則雜質會快速污染并堵塞傳感器，不能有效檢測出實際流量，所以直接檢測方式不可行。在控制設計中使用變頻器對調節(jié)池泵進行驅動，PLC通過控制總線實時監(jiān)控電機電流，并用檢測值與設定的臨界值做比較，若出現(xiàn)管路堵塞則電機電流值會升高，此時發(fā)出相應提示信息，提示需要對設備進行保養(yǎng)；當電流值大于最大設定值時及時切斷電機運行對泵進行保護，同時發(fā)出報警切斷前序處理執(zhí)行。

這樣與前序聯(lián)合控制確保了調節(jié)池為滿狀態(tài)，貯存池為空狀態(tài)，達到最佳處理效果，同時使用PLC結合變頻器的間接測量方式使得設備運行的穩(wěn)定可靠性大幅提升。

2.3 缺氧池控制PLC

缺氧池是調節(jié)池的后工序，用于微生物對污水進行厭氧發(fā)酵，對污水內有機物進行深入分解。缺氧池內污水停留時間約為40 min～2 h，通過前序調節(jié)池泵送污水對水體進行置換。缺氧池液位高于出水口位置則直接流入膜池。

2.4 膜池控制設計

膜池處理作為污水處理的核心工序，由模擬量膜池液位變送器、曝氣風機、膜池泵、膜池閥、自吸泵結合PLC控制單元及HMI交互式控制單元共同組成。

首先，液位變送器將檢測到的0～20 kP壓力值，對應的輸出為4～20 mA電流模擬量信號，PLC程序通過模擬量輸入模塊及標準“Scale_I_to_R”功能塊將此數(shù)值對應轉換為5 530～27 648的實數(shù)，并存入設定的PLC內部V地址，再通過HMI的邊緣計算功能將轉換后的數(shù)值與0～100%對應，以在界面中進行實際液位狀態(tài)顯示。具體PLC模擬量轉換程序如圖6所示。

圖6 模擬量輸入轉換PLC程序

其次，在HIM交互控制界面3種專家控制配方，用于通過污水濁度選擇處理方法，控制界面還開放了配方外的自主設定調節(jié)功能，設定曝氣風機運行液位上下限、自吸泵運行液位上下限、自吸泵循環(huán)工作及間隔時間、膜池泵工作時間。設定完成后HMI將設定數(shù)值通過交互接口傳輸給PLC內部V地址變量，用于后續(xù)控制。具體HMI參數(shù)配置界面如圖7所示。

當膜池液位達到曝氣風機開啟設定值時風機開始按設定循環(huán)周期運行，若此時調節(jié)池液位為高狀態(tài)，則膜池泵開始按設定時間運行，同時膜池閥切換至內循環(huán)模式與缺氧池進行水體交換，此時通過人工添加處理劑，使得污水與處理劑充分融合處理。當膜池液位達自吸泵開啟設定值時自吸泵開始運行，自吸泵進水口通過多個毛細管路連接至膜池內部的對應薄膜過濾板，出水口則接入清水池。

自吸泵工作時PLC通過安裝于各毛細管路中的流量檢測裝置對各毛細管路進行流量實時檢測，并匯總得到總處理流量。PLC實時將總處理流量與使用清水為試驗液體得出的抽取流量進行比較。隨著過濾抽取清水總量的逐步增加，膜池內污水的污濁濃度也會隨之提升，進一步抽取的流量會減少，同時伴隨著電機電流會增加。

當總抽取流量為清水抽取流量的90%～100%時，PLC不對自吸泵變頻器進行調節(jié)，維持額定頻率；當總抽取流量為清水抽取流量的80%～90%時，PLC程序控制按每秒1%的提升量提高10%的變頻器控制頻率；當總抽取流量為清水抽取流量的70%～80%時，PLC程序控制提高20%的變頻器控制頻率，同時對低于70%抽取量的毛細管路在HMI界面上發(fā)出預警；進一步的當抽取流量為清水抽取流量的60%以下，或實時監(jiān)控的電流值為額定電流的120%以上則PLC程序判定為抽取完成。以流量及電機電流為依據(jù)間接檢測污水濁度的雙回路檢測方式使得在機污水濁度檢測的工程實施成為可能，成功簡化了污水處理工藝。

經過多次處理使用后膜池內污水濁度會遠高于正常狀態(tài)，此時自吸泵再次抽取式總抽出流量會大幅低于參照值且電機電流居高不下，此時PLC程序控制切換膜池閥將膜池泵管路與污泥池導通，此時膜池泵將殘存于膜池內的高濃度污水泵送至污泥池，當液位變送器檢測到膜池液位低于5%時完成膜池清除工作。

2.5 污泥池控制設計

污泥池為本污水處理系統(tǒng)的最后工序，為存儲最終過濾完成后剩余的污泥，工序電氣控制配置污泥泵，并由人工參與進行電機啟停控制，完成簡單的排污操作。若配置廚余垃圾微生物處理設備時，可將最終的污泥再次作為原料進行二次分解。

3 結束語

廚余垃圾污水處理系統(tǒng)使用實時電流監(jiān)控技術、雙回路間接控制技術、數(shù)據(jù)輸入遲滯濾波等先進控制技術對各功能部件進行系統(tǒng)協(xié)調控制解決了傳統(tǒng)廚余垃圾污水處理設備的控制難題，輔助以HMI界面監(jiān)控及操作完成設備控制，大幅提升了設備的自動化、智能化程度，是PLC、HMI、變頻驅動器三位一體交互控制技術。

本處理系統(tǒng)已在本公司KSJ、KSY系列有機垃圾生物式處理設備的污水后處理上成功使用。后續(xù)還將配置凈化劑自動投放控制功能，完全取代人工操作實現(xiàn)無人值守，并形成產業(yè)化推廣。